1150

t 1 q2 , q1

где

Параметры газа в узловых точках цикла находятся по формулам, связывающим параметры газа в адиабатном и изобарном процессах:

Анализ выражения (1.3) показывает, что термический КПД ГТУ при данном рабочем веществе (данном k) зависит от степени повышения давления в компрессоре, причем с ростом термический КПД увеличивается. С другой стороны, повышение приводит к увеличению температуры газов перед рабочими лопатками турбины. Значение этой температуры лимитируется жаропрочностью сплавов, из которых изготовлены лопатки. В настоящее время максимально допустимая температура газов перед турбиной составляет 800 1000 ОС и дальнейшее повышение температуры может быть достигнуто только при применении новых жаропрочных материалов и внедрении конструкций турбин с охлаждаемыми лопатками.

1.4.2.Цикл с подводом теплоты при = const

Вгазотурбинной установке, работающей с подводом теплоты при

= const (рис. 1.18), процесс сгорания идет в замкнутом объеме камеры. Компрессор К, приводимой во вращение газовой турбиной ГТ, подает сжатый воздух в камеру сгорания КС через управляемый кла-

30

пан Кл1. Второй клапан Кл2 находится в конце камеры сгорания и предназначен для выхода продуктов сгорания на турбину. Подача топлива осуществляется периодически через топливный клапан Кл3.

В камере сгорания при закрытых клапанах Кл1 и Кл2 происходит процесс горения топлива в постоянном объеме. При увеличении давления клапан Кл2 открывается и продукты сгорания поступают в сопловой аппарат и на лопатки турбины. Далее газ выбрасывается в окружающую среду.

На р и Т s-диаграммах процессы 1-2 – адиабатное сжатие в компрессоре; 2-3 – подвод теплоты при = const; 3-4 – адиабатное расширение газа в турбине; 4-1 – изобарная отдача газом теплоты окружающему воздуху.

Основными параметрами цикла являются: степень повышения давления воздуха и степень изохорного повышения давления :

Термический КПД цикла определяется по формуле

Температуры газа в узловых точках цикла находятся по формулам:

Термический КПД цикла

Анализ формулы (1.4) показывает, что термический КПД цикла зависит от степени повышения давления и величины , характеризующей количество подведенной теплоты.

р = const и = const на р - и Т s-диаграммах (рис. 1.19) видно, что при одной и той же величине степени повышения давления и одинаковом количестве отведенной теплоты цикл при = const выгоднее цикла при р = const.

Это объясняется большей степенью расширения, которая будет в цикле = const, а следовательно, и большими значениями термического КПД. Несмотря на это преимущество, цикл с подводом теплоты при = const широкого применения в практике не нашел в связи с усложнением конструкции камеры сгорания и ухудшением работы турбины в пульсирующем потоке газа.

32

1.4.3. Цикл с регенерацией теплоты

Одной из мер повышения совершенства перехода теплоты в работу в газотурбинной установке является применение регенерации теплоты. Регенерация теплоты заключается в использовании теплоты отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания (рис. 1.20). Экономичность ГТУ при применении регенерации повышается.

Воздух из компрессора К направляется в регенеративный теплообменник Р, где он получает теплоту от газов, вышедших из турбины. После подогрева воздух направляется в камеру сгорания КС, в которую подается топливо. Воздух, получивший теплоту от отработавших газов, должен получить в камере сгорания меньше теплоты для достижения определенной температуры газа перед турбиной.

Рис. 1.20. Схема ГТУ с регенерацией (а) и цикл в диаграммах р- (б) и Т-s (в): К компрессор; Р регенератор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; ЭГ электрогенератор

Цикл ГТУ с регенерацией теплоты показан на рис. 1.20. На диаграммах: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-5 изобарный подогрев воздуха в регенераторе; 5-3 – подвод теплоты при р = const в камере сгорания; 3-4 – адиабатное расширение газа в турбине; 4-6 – отдача теплоты при р = const в регенераторе; 6-1 – отдача теплоты при р = const в окружающую среду.

Если предположить, что охлаждение газов в регенераторе происходит до температуры воздуха, поступающего в него, Т6 = Т2, то регенерация будет полной.

Термический КПД цикла при полной регенерации, когда Т4 – Т6 = = Т5 – T2, рассчитывается по формуле

33

t 1 q2 /q1,

где

q1 cP T3 T5 cP T3 T4 ;

q2 cP T6 T1 cP T2 T1 .

Тогда

t 1 T2 T1 .

T3 T4

При принятых параметрах цикла ГТУ с подводом теплоты при р = const температуры в точках 2, 3 и 4 соответственно равны:

k 1 k 1

Термический КПД цикла

t 1 T1 1 1 .

T4

Анализ последней формулы показывает, что термический КПД цикла при полной регенерации зависит от начальной температуры и от температуры в конце адиабатного расширения. Обычно двигатели работают не при полной регенерации, поэтому Т6 > Т2. При этом термический КПД цикла должен учитывать степень регенерации, определяемую как отношение количества теплоты, переданной воздуху, к тому количеству теплоты, которое могло бы быть передано при охлаждении газов до температуры воздуха.

Степень регенерации

Т5 Т2 .

Т4 Т6

Величина степени регенерации определяется качеством и величиной рабочих поверхностей теплообменника (регенератора).

В настоящее время регенерация теплоты находит практическое применение в основном в стационарных установках и реже в транспортных установках из-за большой массы и габаритов регенератора.

34

1.5. Комбинированные силовые установки

1.5.1. Парогазовая установка

На рис. 1.21 представлена принципиальная схема (а) и теоретический цикл (б) комбинированной энергоустановки, созданной на базе газотурбинного (ГТД) и паротурбинного двигателей (ПТД), применяемых на электростанциях.

а) б)

Рис. 1.21. Принципиальная схема (а) и цикл (б) комбинированной установки: 1 – воздушный компрессор; 2 – парогазогенератор; 3 – газовая турбина; 4 – регенератор; 5 – пароперегреватель; 6 – электрогенератор; 7 – паровая турбина; 8 – конденсатор; 9 – насос конденсатный

Принцип работы установки следующий. Атмосферный воздух сжимается адиабатически в компрессоре 1 (процесс 1-2) и подается в парогенератор 2, где осуществляется подвод теплоты (процесс 2-3-4). Продукты сгорания высокой температуры и давления адиабатически расширяются в газовой турбине 3 (процесс 4-5), совершая работу. Часть работы расходуется на привод компрессора 1, а другая часть на привод электрогенератора 6. Продукты сгорания относительно высокой температуры направляются в регенеративный воздухоподогреватель (на схеме он отсутствует) и далее в регенератор 4 котлапарогенератора 2. Процессы 5-6 – отдача теплоты воздуху в регенеративном воздухоподогревателе; 6-7 – отдача теплоты воде в регенера-

35

торе котла-парогенератора; 7-1 – отвод теплоты к холодному источнику (с продуктами сгорания, выбрасываемыми в атмосферу). Процессы цикла паросиловой установки известны.

Использование комбинированной установки, созданной на базе ГТД и ПТД, позволяет увеличить интервал между экстремальными температурами цикла (для ГТД tMAX = 800–1000 ОС, для ПТД tMIN = = 20–30 ОС), а также получить ряд других выгод от соединения достоинств и исключения недостатков этих двигателей (уменьшить расход воды, обеспечить прочность турбин и т.д.).

Увеличение термического КПД такой комбинированной установки по сравнению с отдельными ГТД и ПТД происходит за счет уменьшения количества теплоты, затрачиваемой на образование пара в котле. Полезная же работа остается неизменной, т.е. равной сумме работ, совершаемых в обоих циклах в отдельности. Тогда КПД комбинированного цикла выразится отношением

где wГ и wП – работа соответственно в ГТД и ПТД; qГ1 и qП1 – теплота, подводимая в циклах от постороннего источника.

КПД комбинированных циклов ГТД–ПТД достигает 50–55 %.

1.5.2. Установка для комплексного производства теплоты и твердого диоксида углерода

Установка состоит (рис. 1.22) из газотурбогенератора I, теплоутилизационной части II и холодильной части III [2]. Газотурбогенератор предназначен для получения газовоздушной смеси с высокой температурой и избыточным давлением, теплоутилизационная часть – для получения пара и горячей воды за счет тепловой энергии газовоздушной смеси, холодильная часть – для получения твердого диоксида углерода при расширении продуктов сгорания топлива, имеющих избыточное давление.

Засасываемый из атмосферы воздух сжимается турбонагнетателем Н и через водяной промежуточный холодильник ПХ (процесс 1-2-3) подается в компрессор К, где сжимается (процесс 3-4). Сжатый воздух нагнетается в камеру сгорания КС и подогревается (процесс 4-5) до температуры 1000 – 1200 К при сжигании жидкого или газообразного топлива. Высокотемпературная газовоздушная смесь поступает

36

на частичное расширение в газовую турбину ГТ (процесс 5-6), мощность которой используется для привода компрессора, и затем в экономайзер Э, где благодаря теплообмену с питательной водой (процесс 6-7) вырабатывается пар или горячая вода. Далее газовый поток, пройдя влагоотделитель ВО, направляется в холодильную часть, где охлаждается (процесс 7-8) обратным потоком в регенераторе Р.

а)

Рис. 1.22. Принципиальная схема (а) и цикл (б) теплохладоэнергетического агрегата: Н – нагнетатель; ПХ – промежуточный холодильник; К – компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; Э – экономайзер; ВО – влагоотделитель; Р регенеративный теплообменник; ТД – турбодетандер; С – сепаратор СО2; ЭД электродвигатель

При расширении продуктов сгорания топлива (ПСТ) в турбодетандере (процесс 8-9) температура потока снижается ниже температуры насыщения твердого диоксида углерода (СО2) и происходит выпадение твердой фазы СО2, которая затем отделяется в сепараторе С. Обратный поток газов направляется в блок регенераторов, охлаждает

37

прямой поток (процесс 10-11) и затем выбрасывается в атмосферу. Работа расширения парогазовой смеси в турбодетандере используется для частичной компенсации энергии, потребляемой нагнетателем от асинхронного электродвигателя ЭД.

Таким образом, сущность работы установки заключается в поэтапном охлаждении ПСТ, вырабатываемых газотурбогенератором при повышенном давлении и температуре в экономайзере, для получения пара или горячей воды, и дальнейшем охлаждении в регенеративном теплообменнике и турбодетандере.

В рассматриваемой схеме ПСТ не только совершают работу в газовой турбине и турбодетандере, но и являются холодильным агентом. Это приводит к снижению энергетических потерь, связанных с преобразованием энергии, имеющих место в обычных теплосиловых и холодильных установках. Повышение давления газа в теплоутилизационной части и конденсация водяных паров, присутствующих в ПСТ, увеличивает коэффициент теплопередачи и позволяет уменьшить поверхность теплообменных аппаратов и их металлоемкость.

Важной особенностью процесса охлаждения в экономайзере является использование теплоты конденсации водяных паров продуктов горения. В рабочем процессе цикла используется высшая теплотворная способность топлива. Известно, что разность между высшей и низшей теплотворной способностью, например, для природного газа, составляет 12 %, вследствие чего утилизация этой низкопотенциальной теплоты в цикле обеспечивает значительное повышение теплового эффекта.

Следует отметить, что высокий экологический эффект установки связан с уменьшением загрязнений окружающей среды вследствие снижения теплопотерь и выбросов СО2 и токсичных окислов азота и серы в атмосферу с отработавшими ПСТ. Совместная конденсация окислов азота и серы с водяными парами происходит в теплоутилизационной части установки.

Контрольные вопросы

1. Как практически осуществляется регенерация теплоты в паросиловых установках? Изобразите для примера принципиальную схему такой установки с одним регенеративным отбором и объясните, почему термический КПД цикла в этом случае выше, чем у цикла Ренкина при тех же параметрах пара?

38

2.Почему применение цикла Карно в паросиловых установках технически неосуществимо? Какие преимущества по сравнению с ним имеет цикл Ренкина?

3.Изобразите в р v- и Т s-диаграммах цикл Ренкина и поясните, что представляет собой отдельные процессы, из которых он состоит.

Вкаких элементах паросиловой установки протекают эти процессы?

4.Что такое коэффициент использования теплоты теплофикационной установки? Чему равно предельно высокое значение этого коэффициента для идеальной паросиловой установки, и каких значений он может достичь в действительности?

5.Покажите в р v-диаграмме цикла Ренкина работу, затрачиваемую на привод насоса. Почему при низких и средних давления пара этой работой можно пренебречь? Как отражается это упрощение на формуле для определения термического КПД цикла Ренкина?

6.Изобразите в Т s-диаграмме цикл Ренкина с учетом работы насоса. Как изменится температура воды при адиабатном повышении ее давления в насосе?

17. Изобразите в Т s-диаграмме цикл паросиловой установки с промежуточным перегревом пара. Покажите на графике дополнительную по сравнению с циклом Ренкина затрату теплоты и добавочную полезную работу цикла. Составьте выражение для определения термического КПД цикла.

8.Приведите принципиальную схему паросиловой установки, работающей по циклу Ренкина, и изобразите этот цикл в р v- и Т s- диаграммах.

9.Как влияют начальные параметры пара на термический КПД цикла Ренкина?

10.Составьте уравнение теплового баланса смешивающего регенеративного подогревателя паросиловой установки с одним регенеративным отбором и напишите выражение для определения ее термического КПД.

39